位移放大型黏滯阻尼裝置的減震效果研究*

黃榮貴,陶 忠,李何瀟,葉創坤,燕 釗

(1.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500;2.云南省工程抗震研究中心,云南 昆明 650503)

0 引言

我國是一個震災較嚴重的國家,且地震活動具有頻度高、強度大、震源淺、分布廣等特點[1]。耗能減震技術可有效提高結構抗震性能,筒式黏滯阻尼器是一種較常見的耗能減震裝置。筒式黏滯阻尼器屬于速度相關型消能阻尼器,主要由筒內的阻尼材料、設有節流孔的活塞、活塞桿及筒缸構成,在地震作用下,筒缸內的活塞往復運動產生的壓力差使阻尼材料流動而產生阻尼力[2]。

在實際的建筑結構中,阻尼器一般布置在層間位移相對較大的位置,這樣可使阻尼器性能得到充分發揮,然而,對于一些層間位移相對較小的結構或位置就會在很大程度上束縛阻尼器性能的發揮。對此,國內外學者提出了許多解決方案并進行了大量研究。周云等[3]提出一種懸臂肘節型的黏滯阻尼器消能系統,通過對比分析黏滯阻尼器采用不同連接方式的高層結構減震效果,可知懸臂肘節型黏滯阻尼器消能系統具有顯著的減震效果。劉文光等[4]提出一種多杠桿并聯的放大黏滯阻尼墻,通過理論分析和力學性能試驗,驗證了設置位移放大裝置且考慮豎向提拉響應的結構減震效果顯著。薛建陽等[5]提出一種帶位移放大裝置的新型黏滯阻尼伸臂桁架,通過對比分析設置傳統黏滯阻尼桁架的超高層結構和設置位移放大型黏滯阻尼伸臂桁架的超高層結構,表明位移放大型黏滯阻尼伸臂桁架能顯著提升阻尼器的耗能效率。Berton等[6]提出一種齒輪式位移放大裝置,試驗結果表明,該裝置具有非常大的實際應用潛力。項瀟瀟等[7]提出一種可提高阻尼器耗能能力的位移放大裝置,并設計了一種帶放大裝置的黏滯阻尼墻,有限元分析結果表明,運用該裝置的結構減震效果更明顯。

但目前所研究的放大裝置存在結構較復雜、放大倍數相對較小等缺點,對此本文提出一種基于杠桿原理將位移和速度放大的黏滯阻尼裝置[8],并以某實際工程結構為背景,通過SAP2000有限元軟件對原結構、附加普通黏滯阻尼器結構和附加放大型黏滯阻尼器結構的抗震性能進行對比分析。

1 放大裝置的構造及原理

1.1 裝置構造

基于杠桿原理將位移和速度放大的黏滯阻尼裝置主要由放大杠桿、支點軸、筒式黏滯阻尼器和固定支座組成,如圖1所示。上、下懸臂墻分別與上、下梁固定,固定支座與下梁相連,放大杠桿與上、下懸臂墻分別通過支點軸a和支點軸b進行連接,筒式黏滯阻尼器與放大杠桿和固定支座分別通過支點軸c和支點軸d進行連接。

圖1 放大裝置

1.2 工作原理

結構在受到地震作用時,上、下層之間會產生微小的層間位移,通過懸臂墻傳遞給放大杠桿,放大杠桿繞支點軸進行轉動,將微小的層間位移放大后作用于筒式黏滯阻尼器,使筒式黏滯阻尼器產生更大的相對位移,進而使阻尼器產生更大的阻尼力。該裝置通過放大筒式黏滯阻尼器兩端的相對位移,進而放大其相對速度,使阻尼器性能得以充分發揮,更好地達到降低結構地震響應的效果。

1.3 理論分析

本文提出的放大裝置,在地震響應下,當結構產生層間位移u時,筒式黏滯阻尼器兩端的相對位移則為λu(其中λ為放大系數),如圖2所示。

圖2 放大裝置減震示意

筒式黏滯阻尼器阻尼力公式簡化為:

(1)

筒型黏滯阻尼器的耗能可簡化為:

(2)

式中:E為筒式黏滯阻尼器的耗能(J);u為筒式阻尼器兩端的相對位移(m)。

(3)

進而將u′=λu和式(3)代入式(2),得放大型黏滯阻尼器的耗能公式為:

(4)

若將普通筒式黏滯阻尼器的阻尼系數Cα放大ψ倍,使附加普通筒式黏滯阻尼器結構與附加放大型黏滯阻尼器結構具有相同的減震效果,則普通筒式黏滯阻尼器的耗能為:

(5)

當E′=E″時,ψ=λα+1。因此,表明附加λ倍放大型黏滯阻尼裝置與阻尼系數放大λα+1的普通筒式黏滯阻尼器具有相同的耗能效果。

2 減震效果分析

2.1 工程概況

以某8層鋼筋混凝土框架結構為例進行分析。該框架結構底層層高為4.5m,2～8層層高為3.9m。該結構的抗震設防烈度為8度(0.2g),抗震等級為一級,抗震設計分組為第一組,場地類別為Ⅱ類。結構在x方向為4跨,跨度為7.5m;在y方向為3跨,其中中間跨跨度為3m,邊跨跨度為7.5m,如圖3所示。柱的截面尺寸為700mm×700mm,梁的截面尺寸為350mm×750mm,樓板厚度為100mm。混凝土強度等級為C45,梁和柱的縱筋均為HRB400鋼筋,箍筋均為HPB300鋼筋,設計樓面附加恒荷載為1kN/m2,活荷載為2kN/m2。

圖3 框架結構平面

2.2 模型的建立

本文通過SAP2000分別建立原結構、附加普通筒式黏滯阻尼器結構和附加放大型黏滯阻尼裝置結構,在設防地震作用下比較3種模型的地震響應,進而研究放大型黏滯阻尼裝置的減震效果。

2.3 減震方案

方案1采用普通筒式黏滯阻尼器,每層沿x方向布置4個,沿y方向布置6個。方案2采用3倍放大型黏滯阻尼器,每層沿x方向布置4個,沿y方向布置6個。具體減震方案如表1所示。

表1 減震方案

2.4 地震波的選取

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[9]的規定,選取2條天然波和1條人工波作為地震波輸入。地震波加速度時程曲線如圖4所示,地震波加速度反應譜與規范反應譜對比如圖5所示。

圖4 地震波加速度時程曲線

圖5 地震波加速度反應譜與規范反應譜對比

3 地震響應對比分析

3.1 地震作用下結構位移響應分析比較

在設防地震(峰值加速度αpg=196gal)作用下,原結構、附加普通筒式黏滯阻尼器結構和附加放大型黏滯阻尼裝置結構的層間位移角對比曲線如圖6所示。由圖6可知,與原結構對比,在天然波1作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的最大層間位移減小了45.11%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的最大層間位移減小了87.33%;在天然波2作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的最大層間位移減小了42.86%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的最大層間位移減小了78.23%;在人工波作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的最大層間位移減小了31.40%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的最大層間位移減小了65.08%。

圖6 地震作用下各結構的層間位移角對比

3.2 地震作用下結構內力響應分析比較

在設防地震(峰值加速度αpg=196gal)作用下,原結構、附加普通筒式黏滯阻尼器結構和附加放大型黏滯阻尼裝置結構的層間剪力對比曲線如圖7所示。由圖7可知,與原結構對比,在天然波1作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的基底剪力減小了29.58%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的基底剪力減小了67.01%;在天然波2作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的基底剪力減小了54.64%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的基底剪力減小了70.98%;在人工波作用下,附加普通筒式黏滯阻尼器結構的基底剪力減小了56.57%,附加放大型黏滯阻尼裝置結構的基底剪力減小了68.32%。

圖7 地震作用下各結構的層間剪力對比

4 結語

本文提出一種基于杠桿原理將位移和速度放大的黏滯阻尼裝置,并以某實際工程結構為背景,在3條地震波作用下,對原結構、附加普通筒式黏滯阻尼器結構和附加放大型黏滯阻尼器結構進行了對比分析,得出以下結論。

1)通過進行理論分析表明,附加λ倍放大型黏滯阻尼器的耗能效果與阻尼系數放大λα+1倍的普通筒式黏滯阻尼器的耗能效果相同。

2)在3條地震波作用下,相較于附加普通筒式黏滯阻尼器結構,附加放大型黏滯阻尼器結構的層間位移角和基底剪力降低幅度均較大,說明放大型黏滯阻尼器相較于普通筒式黏滯阻尼器有更好的減震效果。